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          功率半導(dǎo)體是提高M(jìn)IPS/m2的關(guān)鍵

          作者: 時間:2008-02-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          從電子郵件到網(wǎng)上購物,從社會化網(wǎng)絡(luò)到博彩,從VoIP電話到視頻點播,電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信和在線或可下載的娛樂都在近年內(nèi)呈指數(shù)增長。這種增長給電子系統(tǒng)(這些系統(tǒng)多處在安全數(shù)據(jù)中心中)帶來了不斷增加的要求,使這些系統(tǒng)全天24小時或全年365天不間斷地存儲、處理和傳輸最基本的數(shù)據(jù)。而要使這些系統(tǒng)高效地運(yùn)轉(zhuǎn)就存在著經(jīng)濟(jì)、立法和環(huán)境的巨大壓力。


          一個“典型”的數(shù)據(jù)中心包括了服務(wù)器、存儲區(qū)網(wǎng)絡(luò)、路由器和交換機(jī)。過去,這些數(shù)據(jù)中心的表現(xiàn)主要由性能密度()參數(shù)來衡量。而現(xiàn)在,這種情況將因多種因素而改變。


          首先,對于數(shù)據(jù)中心設(shè)備來說,生命周期內(nèi)的操作成本是初期投入的3倍。第二,由電能使用造成的環(huán)境沖擊正驅(qū)動著增進(jìn)能效最大化的立法。第三,出于真實的考慮,沒有效率的提升,許多數(shù)據(jù)中心就不能應(yīng)對能源和基本附屬設(shè)施的需求增長。


          其結(jié)果,我們要繼續(xù)提升的主要品質(zhì)因數(shù)就是執(zhí)行效率,或MIPS/W。而且,通過設(shè)備和基本附屬設(shè)施的效率,最新的技術(shù)將在提升品質(zhì)因數(shù)中扮演一個重要角色。


          數(shù)據(jù)中心的能耗


          我們能明確數(shù)據(jù)中心的兩個能耗源。第一種是處理、存儲、交換和路由設(shè)備本身。第二種來自需要冷卻的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和對這些服務(wù)器、存儲網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)和路由的保護(hù)。每一種能量使用都是相當(dāng)?shù)?,而且也是相關(guān)的。


          設(shè)備能耗包含三個主要元素。像微處理器和內(nèi)存條之類的電子負(fù)載消耗了60%~70%的能量,電源消耗了25%~30%的能量,制冷消耗了5%。


          當(dāng)在減輕負(fù)載(多核處理器和虛擬技術(shù)的引入)的能量狀態(tài)方面有顯著進(jìn)步時,工程師就有更多的機(jī)會來降低這些主要消耗源的能耗。例如,新的“智能電源”管理系統(tǒng)使用了對電源元件的聯(lián)合設(shè)計,讓部件都整合到了一個平臺中。這些電源系統(tǒng)都基于先進(jìn)器件,其部件是高效和高密度能量轉(zhuǎn)換級,先進(jìn)的快速響應(yīng)電源控制器,可編程和診斷的數(shù)字接口,準(zhǔn)確的電源監(jiān)控,系統(tǒng)控制器和排序功能。

          先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換級


          相比與傳統(tǒng)設(shè)計,先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換級能減少1/3的損耗。圖1中的產(chǎn)品使用了業(yè)界領(lǐng)先的MOSFET技術(shù)。在圖中,具有高能量密度的技術(shù)結(jié)合了先進(jìn)的封裝技術(shù),而這種封裝技術(shù)具有幾乎為零的封裝電阻和電感,并可提供業(yè)界最低的工業(yè)熱阻抗。

          圖1 先進(jìn)的MOSFET技術(shù)


          同標(biāo)準(zhǔn)的塑料分立封裝相比,這些基準(zhǔn)MOSFET的金屬罐使雙面冷卻成為可能,能有效地使高頻率DC/DC降壓變換器的電流處理能力一倍。而電路板設(shè)計尺寸的縮減能有效地減少能量損失。當(dāng)驅(qū)動IC與創(chuàng)新的控制方案連同高效MOSFET一起工作的時候,工程師能獲得最好的效率與電氣性能的結(jié)合。以處理器為例,使用這種技術(shù)能增加5%~6%的效率。

          先進(jìn)電源系統(tǒng)


          先進(jìn)電源系統(tǒng)對負(fù)載的功率耗散有更大的影響。高負(fù)載功率,像微處理器和內(nèi)存,會隨其所需性能和功能的快速變換而產(chǎn)生不可預(yù)知的能量狀態(tài)。在服務(wù)器的需要下,這些負(fù)載會超出它們自己的熱極限,進(jìn)而產(chǎn)生一個性能上的回調(diào)來冷卻硅器件和封裝。而一旦有效地冷卻后,負(fù)載會再次增加,這就造成了一個無效的“停止、啟動”的熱和功率循環(huán)。


          允許高性能的硅器件進(jìn)入熱和功率循環(huán)將浪費(fèi)能量并犧牲性能。然而,通過動態(tài)地監(jiān)視瞬間電能,記錄變化趨勢,理解負(fù)載的熱阻抗,將有可能使功率系統(tǒng)準(zhǔn)確地預(yù)計系統(tǒng)中任一點的熱量。有了這些信息,系統(tǒng)就能通過改變負(fù)載的電氣特性(比如動態(tài)地改變核心電壓或降低時鐘速度)來限制其功耗并建立正確的冷卻條件。比如,采用能量效率提升后的變速運(yùn)動控制,可確保負(fù)載不會離開它所需的隔熱層,優(yōu)化吞吐量,增強(qiáng)性能。這樣能降低總能耗的15%~20%。

          應(yīng)用實例


          我們可以通過現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的幾項新技術(shù)來說明最新的集成電源管理半導(dǎo)體技術(shù)所產(chǎn)生的影響。感謝它們的模塊性、低成本和小體積,其代表就是機(jī)架固定的“刀鋒服務(wù)器”。


          通過增加機(jī)架容納性,高密度刀鋒數(shù)據(jù)處理器可以隨需要而增加能力。然而,最新服務(wù)器的主板上已經(jīng)能容納四個處理器了,它們的功率需求和散熱因此就變得同等重要。在實際中,數(shù)據(jù)中心經(jīng)常會留出空插槽以提供更好的冷卻,使系統(tǒng)保持在熱規(guī)格中。


          幸運(yùn)的是,最新一代的功率半導(dǎo)體技術(shù)能幫助工程師處理這個問題。文章中將介紹兩種方法來降低刀鋒服務(wù)器的總功耗。這樣就減少了冷卻需求,進(jìn)而增加機(jī)架中的刀鋒服務(wù)器密度。


          第一種方法是讓工程師開發(fā)高效率的在板電源。將近80%的功率通過在板電源進(jìn)入服務(wù)器的,因此電源效率對系統(tǒng)效率有巨大的影響。大量的能量消耗在處理器和內(nèi)存上。舉例來說,一個典型的高效率微處理器能消耗130A(在 1.1V條件下)或146W。今天,一個在板電源有80%的效率和20%的損耗是很正常的。


          隨著先進(jìn)的功率控制和轉(zhuǎn)換技術(shù),比如國際整流器公司(International Rectifier)的XPhase可升級多相位結(jié)構(gòu)(見圖2)和DirectFET MOSFET,可將系統(tǒng)的總效率增加至88%以上,能減少40%的系統(tǒng)功耗。國際整流器公司還開發(fā)一系列的精確實時功率監(jiān)控IC。該產(chǎn)品能促進(jìn)工程師設(shè)計出可降低動態(tài)能量損失的刀鋒服務(wù)器。

          圖2 國際整流器公司的多相位控制器

          結(jié)論


          使用上述先進(jìn)功率半導(dǎo)體技術(shù)的成本會低于節(jié)省出的成本。此外,這些方法還有第二個好處。例如,因為散熱少,板級的風(fēng)扇就會低速運(yùn)轉(zhuǎn),這樣可節(jié)省能量并降低噪聲。實際上,采用優(yōu)化的集成了高級功率轉(zhuǎn)換、準(zhǔn)確的動態(tài)功率監(jiān)控和高性能功率控制器的電源管理系統(tǒng)最短可在三年內(nèi)降低數(shù)據(jù)處理中心25%的能量損耗。



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